减水减肥对设施黑土菜田土壤无机磷形态及分布的影响

关诗洋，王佳琪，于 贺，焦晓光，王 耀，徐 欣，陈一民，隋跃宇

（1黑龙江大学现代农业与生态环境学院，哈尔滨 150080；2中国科学院东北地理与农业生态研究所，哈尔滨 150081）

0 引言

磷是作物必需的重要的营养元素之一，也是农业生产中最重要的养分限制因子之一[1]。东北黑土区作物苗期地温较低，磷的生物有效性低，难以满足作物生长需求，需向土壤中施用大量矿质磷肥来补充作物可吸收利用态磷。据统计，仅黑龙江省每年需消耗66.2万t矿质磷肥[2]。但是，施入土壤中的磷肥会被土壤中的铁、铝、钙、镁等离子固定[3-4]，导致施入的矿质磷肥当季利用率仅有10%～25%[5-6]，大量的无机磷残留不仅造成了磷肥的浪费，也给环境带来了潜在的风险。获取土壤中无机磷组分信息对磷养分资源的综合管理具有重要意义。

随着中国种植业结构的调整和人民饮食结构的改变，设施蔬菜栽培在蔬菜生产中占有重要地位[7]。在设施菜田高产出的生产模式下，农民的肥料投入量大幅增加，磷肥的当季利用率仅为8%左右，大量未被利用的磷素长期或暂时地滞留在土壤中，造成了磷肥资源的浪费[8]。加之设施菜田中需要大量的灌溉来满足蔬菜的生长需求，导致残留的磷肥淋溶损失风险加大[9]。研究设施黑土菜田中土壤无机磷的形态特征特点，是合理施用磷肥，提高磷肥利用率、减轻环境污染的重要依据。

目前，国内外关于无机磷的研究，多注重于无机磷的形态、分布、动态变化以及植物利用的有效性等方面。张林等[10]指出无机磷主要分为矿质态、吸附态和水溶态3种，并且水溶态和吸附态对土壤磷素供应具有重要作用。土壤中的Ca2-P是作物的有效磷源，Ca8-P、Al-P和Fe-P是作物的第二有效磷源，Ca10-P和O-P在短期内难以为作物吸收利用，是作物的潜在性磷源[11-12]。不同类型土壤中无机磷形态差异很大，王艳玲等[13]研究指出，黑土中Fe-P、Ca10-P和O-P所占的比重最大，Ca2-P、Ca8-P和Al-P所占比例相对较小；沈乒松等[14]研究指出，酸性土壤中Ca-P所占比例最小，其次为Al-P，而Fe-P、O-P所占比重最大；李孝良等[15]研究指出，黄褐土中各形态无机磷含量为Ca8-P＞O-P＞Fe-P＞Ca10-P＞Al-P＞Ca2-P。不同土地利用方式[16-17]、施肥管理[18-20]和灌溉技术[21]对土壤无机磷分级的影响也有一些研究，但因土壤类型差异，目前尚无统一的研究结果。设施菜田作为代表现代农业发展趋势的新兴产业，其特殊栽培条件下的无机磷形态与分布问题却鲜有报道。

笔者拟通过连续4年的设施菜田试验，开展减水减肥对菜田黑土不同剖面深度磷素含量及变化规律的研究，探讨减水减肥对菜田黑土土壤磷有效性的影响，旨在为提高菜田黑土磷素利用率提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地点位于黑龙江省农业科学院园艺分院设施试验地。土壤类型为草甸黑土。土壤剖面初始理化性质见表1。设施栽培作物茄子（品种为‘龙杂201’），2019年3月15日育苗，4月末耕翻整地，耕翻前施用已腐解好的有机肥，耕翻后起垄，垄距为100 cm，垄间距50 cm。5月6日茄子幼苗移栽，茄子采用覆膜栽培，施用方式为沟施。

1.2 试验设计

试验设置常规施肥量+常规灌溉量(WF)、常规灌溉量+80%常规化肥量(W80%F)、80%常规灌溉量+常规肥处理(80%WF)3个处理常规水肥处理，每个处理3次重复，每个处理面积为15 m2。

试验设3个处理：（1）常规施肥量+常规灌溉量(WF)：施用有机肥（有机质含量≥40%）5 t/hm2、氮肥（尿素N 46%）N 72 kg/hm2、磷肥（过磷酸钙P2O512%）P2O572 kg/hm2、硫酸钾(K2O 50%)110 kg/hm2，底肥一次性施入，施用深度为0～30 cm。在6月26日（盛果期）追施N 70 kg/hm2，7月24日（盛果期）追施N 23 kg/hm2（尿素N 46%）及K2O 113 kg/hm2（硫酸钾K2O 50%）。追肥方式为穴施。茄子移栽后人工控制灌溉，灌水量约为45 m3/hm2。灌溉方式为滴灌。（2）80%常规灌溉量+常规肥处理(80%WF)：底肥、追肥数量、频率与常规水肥处理相同，灌水方式、频次与常规水肥处理一致，灌水量是常规水肥处理的80%，以下简称减肥处理；（3）80%常规灌溉量+常规肥处理(80%WF)：底肥、追肥化肥的施用量均为常规施肥量的80%，施用的时间次数、灌水量、灌水频次与常规施肥量一致，以下简称减水处理[22]。

1.3 样品采集及测定方法

样品于2019年茄子拉秧期后，分层采集上述3个处理0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm土层的土壤样品。土壤基本理化性质采用常规分析方法测定[23]，土壤无机磷各组分含量采用蒋柏藩等分级方法[24]。

1.4 原始数据采用

试验数据采用Excel 2019整理，SPSS 16.0软件进行统计分析和差异显著性(α=0.05)检验，Sigmaplot进行绘图。

2 结果与分析

2.1 减水处理、减肥处理对设施黑土不同形态无机磷含量的影响

图1表明，设施黑土菜田连续4年减水减肥试验后，各形态无机磷含量发生了明显变化，不同形态无机磷含量随土层深度增加而异。减水处理，在0～100 cm深度范围内，磷酸钙盐平均为30%左右，以Ca8-P居多。随着土层深度的增加，不同形态无机磷含量呈下降趋势，在80～100 cm土层下降到最低，其中，从40～60 cm土层开始，各形态无机磷含量显著降低(P＜0.05)。同一土层深度，各形态无机磷含量在减水处理下表现出相同规律，即各形态无机磷含量从高到低的顺序为：Ca8-P、O-P、Fe-P、Ca10-P、Ca2-P、Al-P。

图1 减水减肥处理不同剖面深度设施菜田黑土无机磷形态含量

减肥处理，在0～100 cm土层内，以Ca8-P居多，Ca8-P磷酸钙盐平均为123 mg/kg。随着土层深度的增加，60～100cm土层Ca8-P含量急剧降低(P＜0.05)，80～100cm时达到最低。同一土层深度，各形态无机磷含量从高到低的顺序为：Ca8-P、O-P、Al-P、Fe-P、Ca2-P、Ca10-P。

与常规水肥处理相比，减水处理、减肥处理，除闭蓄态P外，不同深度土壤各形态无机磷含量均高于常规水肥。减水处理、减肥处理，主要增加了磷酸钙盐的含量，其中Ca8-P含量增加最多，增加幅度为0.4～211.71、3.03～379.61 mg/kg。

2.2 减水减肥对设施黑土有效磷分布特征

减水处理、减肥处理对不同深度土层有效磷含量的影响见图2。由图2可见，常规水肥处理、减水处理、减肥处理0～20 cm土层有效磷含量最高，在102.45～126.06 mg/kg之间，随土层深度增加，土壤有效磷含量呈递减的趋势，在80～100 cm土层土壤有效磷含量降到最低，在20.16～24.46 mg/kg之间，下降的幅度在77.9%～80.8%之间。在同一土层深度，减水处理、减肥处理土壤有效磷含量高于常规水肥处理，分别增加在0.8%～22.9%之间。

图2 减水处理减肥处理处理不同深度土壤有效磷含量

2.3 减水处理、减肥处理不同形态无机磷与有效磷的相关分析

减水处理、减肥处理与常规水肥处理在0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm 5个土层深度上，土壤各形态无机磷含量与有有效磷之间的相关关系见表1。相关分析表明，减水、减肥后土壤各形态磷含量与有效磷含量存在相关性。Ca2-P、Ca8-P、Al-P含量与有效磷含量存在极显著正相关关系，Ca10-P、Fe-P与有效磷含量存在显著正相关关系，各形态无机磷与有效磷含量相关系数大小：Ca2-P＞Al-P＞Ca8-P＞Ca10-P＞Fe-P＞O-P。不同深度土壤有效磷与各形态无机磷相关性基本一致，各形态无机磷含量相关系数大小变化规律一致。

3 结论

连续4年减水处理、减肥处理有效磷含量随着土层深度的增加呈现递减，减少20%肥料、降低20%灌溉量处理可以提高0～100 cm土层内设施菜田黑土有效磷的活性，与常规水肥处理相比，对土壤有效磷含量无影响。相对常规水肥处理，减水处理、减肥处理可提高菜田黑土各无机磷形态Ca2-P、Ca8-P、Al-P、Ca10-P、Fe-P、O-P含量。随着深度的增加，各形态无机磷Ca2-P、Ca8-P、Al-P、Ca10-P、Fe-P、O-P呈逐渐降低的分布趋势，在60～80 cm土层迅速降低，80～100 cm土层降到最低。减水处理、减肥处理各形态无机磷Ca2-P、Ca8-P、Al-P与土壤有效磷呈极显著相关关系，Ca10-P、Fe-P与土壤有效磷呈显著相关关系，O-P与土壤有效磷无相关关系。

4 讨论

设施菜田土壤长期大量施用肥料，土壤各形态无机磷均有不同程度的累积，磷基本没有挥发损失，淋失也相对较少，作物对磷的利用率为10%～25%[4]，项目前期研究对减水减肥对无机磷有效性进行了探究[9]，因此研究菜田黑土减水减肥处理对不同深度土壤各形态无机磷有效性具有重要的意义。土壤有效磷水平是直接决定土壤P素供应的一项指标，也是磷肥施用的基本依据[25]。本研究中，与常规水肥处理相比，减少20%施肥量的处理，土壤有效磷的含量略有升高，但是没有达到差异显著水平(P＞0.05)；减少20%灌溉量处理，土壤有效磷的含量比常规水肥处理高，但是没有达到差异显著水平(P＞0.05)，这可能因为减少磷肥的施用、灌水量，促进作物对磷素的吸收[27]，说明减少20%施肥量及减少20%灌溉量对菜田土壤有效磷的含量没有显著的影响。3个处理各形态无机磷含量Ca2-P、Ca8-P、Al-P、Ca10-P、Fe-P与有效磷含量存在显著正相关关系，这说明Ca2-P、Al-P、Ca8-P、Ca10-P、Fe-P含量会影响有效磷含量的变化，减少灌溉量、减少施肥量对其影响较小，各形态无机磷含量在一定的灌溉量及肥料量内受其影响较小，这与刘畅等[21,26]和吕家珑等[18]研究结果不同，可能与土壤类型有关。所有处理在不同形态无机磷中以Ca8-P、Al-P、O-P含量占的比重较高，意味着减水处理、减肥处理下黑土菜田有效磷除主要由Ca8-P提供外，Al-P土壤中是作物第二有效磷源，当土壤中Ca2-P含量供应不足时，开始利用潜在的有效磷源[12]。O-P（闭蓄态磷）没有呈现明显的变化规律，且与有效磷之间没有显著相关系(P＞0.05)，说明闭蓄态磷有效性较低，受有效磷含量多少影响较小，这与沈仁芳等[28]研究认为闭蓄态磷有效性低，只能是潜在磷源，难以被植物吸收利用结果一致。